基于空间矢量的SPWM（解耦）的控制算法

摘要随着资源的过度开采，全球能源形势的不断紧张。各国元首都将新能源的开发作为本国长期战略目标之一。逆变器作为光伏并网的关键所在，如何提高转换效率，减少系统对电网产生的负担成为众多学者研究的课题。本文针对6kw光伏并网系统模型，提出了新型的控制策略及仿真结果。具体实验内容如下：文中首先根据并网逆变器的技术指标和总体设计思路，从几种常见的逆变拓扑结构中选择单相全桥电路作为设备的主电路。通过MOS管的导通与关断产生与正弦波等效的一组等幅不等宽脉冲信号。同时也产生了不必要的谐波损耗，通过对系统滤波电路的参数设计，尽可能的减少这部分无功损耗。传统的并网控制器仅仅实现基本的逆变并网功能。本文采用基于空间矢量的SPWM（解耦）的控制算法，将给定电流解耦为有功电流分量和无功电流分量分别对逆变器输入电网的有功功率和无功功率进行闭环控制。在正常工作情况下，并网逆变器仅仅向电网传输有功功率；当电网接入过多的感性负载时，逆变器可以作为新型无功功率发生器，抵消这部分感性功率；同时，在夜间电网负荷较小情况下，并网控制器可以反向工作将电网电能整流后储存在蓄电池中，次日白天这部分电能与光伏板产生的电能一同输送给电网，达到削峰填谷的作用。为了验证SPWM（解耦）控制策略的正确性，文中最后使用Matlab/Simulink软件对6kW的光伏单相逆变系统并入220V、50HZ电网进行模拟仿真。仿真结果表明，这项控制策略的确可以实现双向DC/AC变换，有功功率和无功功率分离控制。关键词:单相全桥逆变；SPWM（解耦）；Matlab/Simulink仿真

AbstractWiththeover-exploitationofresources,theglobalenergysituationcontinuedtense.Whichusesolarenergyforitsclean,abundantsourcesofotheradvantagesattractedwidespreadattention.Asthekeyphotovoltaicinverternetwork,howtoimproveconversionefficiency,reducetheburdenonthegridsystemofasmanyscholarsstudy.Aiming6kwphotovoltaicgridsystemmodel,anewcontrolstrategyandsimulationresults.Specificexperimentsareasfollows:Firstlygridinverteraccordingtothetechnicalspecificationsandoveralldesignideas,choosesingle-phasefull-bridgeinvertercircuitfromseveralcommontopologyastheprimarycircuitequipment.Alsoproducedunwantedharmoniclossesthroughthesystemfiltercircuitdesignparameters,asfaraspossibletoreducethispartofthereactivepowerlosses.Thetraditionalgridcontrollerandinverteronlyimplementbasicnetworkfunctions.Withtheincreasingcomplexityofthepowersystem,customersefficientandreliable,featuresmorecompleteandmorepopulargridinverter.Inthispaper,basedSPWM(decoupling)spacevectorcontrolalgorithm,giventhecurrentdecouplingofactivecurrentcomponentandreactivecurrentcomponentsareinputtotheinvertergridactiveandreactivepowerforclosed-loopcontrol.Undernormaloperatingconditions,andinverteronlyactivepowertothegridtransmission;whenexcessivegridaccessinductiveload,theinvertercanbeusedasnovelreactivepowergenerator,tooffsetthispartoftheemotionalpower;thesametime,Networkloadissmallatnight,andtonetworkthecontrollercanworkinreversetogridpowerrectifierstoredinbatteries,whichpowerthenextdaypartofpowergeneratedbyphotovoltaicpanelstogetherwithtransporttothegrid,totheroleloadshifting.InordertoverifySPWM(decoupling)controlstrategycorrectness,lasttextusingMatlab/Simulinksoftware6kWsinglephaseinverterPVsystemsinto220V,50HZpowergridsimulation.SimulationresultsshowthatthiscontrolstrategycanindeedachievebidirectionalDC/ACconversion,activeandreactivepowersplittercontrol.KeyWords：single-phasevoltage-source；SPWM；Matlab/Simulinksimulation目录TOC\o"1-3"\h\u23823摘要 I型系统不能适用，需采用其他控制方法。上述折中的§=0.707，K=0.5/T的参数关系就是西门子“最佳整定”方法的“模最佳系统”，或称“二阶最佳系统”，其实这知识折中的参数选择，无所谓“最佳”。真正的最佳参数是依工艺要求性能指标的不同而变的。

3.2并网逆变器控制算法设计图2.2展示出了并网逆变器主电路拓扑图。其中，滤波部分是通过一系列线路电抗器滤波器和耦合变压器连接到公用电网的单线图。该滤波器是由电感器L和其相关的内部电阻R表示，这些变量也包括漏电感和耦合变压器的绕组电阻。单相并网逆变器所采用的控制策略是从基于空间矢量变换的三相系统变换而来的。首先对这种控制方法进行简要的解释，将给定量通过坐标变换分解到旋转坐标系中，达到解耦的目的。其中调节方式是采用结构简单的PI控制器。常见的解耦方法是创建一组对于单相系统进行假想的正交变量数量，以便将一个固定坐标轴，通过旋转坐标变换的方法获得对应的直流量。正交假想变量中常见的方法是通过获得了与实际电流分量有着四分之一基本周期的偏移的假象分量。这种延迟会在该系统的引入变慢和振荡的畸形动态响应。在本文中提出的方法，是由一个叫做虚构的虚轴系统，同时与真实的运行产生的正交量。所提出的方法，其被称为假想坐标轴仿真，有效地提高动态响应的同时，相对于传统的控制系统不会给控制器结构增加过多的复杂性。3.2.1PID控制算法PID算法已经问世几百年了，在此期间陆续出现了神经网络控制、模糊控制等先进算法，但任然无法捍卫PID算法的霸主地位。PID算法结构简单，包含一个比例环节、一个积分环节以及一个微分环节[13]。各环节因控制对象情况的不同进行相互搭配形成PI、PD以及PID算法。尽管在理论上会存在一定的误差，但是实际调试的经验能很好的弥补这一缺陷。PID控制算法的原理框图如下图3.5所示：图3.7PID算法原理框图在图3.7中所示，为控制对象的理论值，输出的实际值。通过PID算法，保证实际值能快速动态地跟随目标值。PID控制的基本表达式如式3.7所示。（3.17）该式是时域内的连续函数，常见的频域中的传递函数为：（3.18）其中，为PID控制的比例系数，为积分系数，为微分系数。3.2.2PID控制器设计假设其中一个三相滤波器是通过三相线路电抗器进行滤波和一个三相耦合变压器接口到公用电网的三相系统。图2.2可以是这样的系统的单线图表示，假设单相变量由三相那些取代。因此，这样的系统的交流侧的动力学可以描述为（3.19）将方程式（3.19）从abc坐标到静止坐标系变换，获得如下公式：（3.20）当这些电气量用采用空间矢量来表示时，获得公式如下：（3.21）将公式（3.21）中的微分方程进行拉普拉斯变换，就可以得到该系统在静止坐标系中的结构式。根据公式，转换到如图2.7的同步旋转坐标系（dq坐标系）交流侧中，公式如下：R-LwR-Lw+LwR+L=+LwR+L=（3.22）RR____wLwL-wL-wL____RR图3.8系统解耦图根据公式（3.22）中，从图3.8旋转坐标系中获得的结构图中包含了典型的耦合项。根据公式（3.22），我们实现和的解耦控制，该逆变器的电压控制方程式如下：（3.23）和代表控制信号。通过将公式（3.23）代入公式（3.22）中，推导出一下解耦方程式如下：0RR0+L=0RR0+L=（3.24）因此，解耦系统的传递函数推导如下，其中，所述时间常数为L/R，为1/R，本项目中L=12mH，R=0.05Ω；故=20，=0.24。（3.25）需要注意的是，由于和对于和是以一个简单的一阶传递函数来相应的，公式（3.25）显示了控制规则定义下的反馈回路，并使用一阶PI控制器进行控制[13]。基于公式（3.25），基于PI控制的电流调节器的结构图如图3.9所示。PI控制器及其相关的控制回路的设计方法详述于下一章节。图3.9基于PI调节的电流控制结构图采用空间矢量的电流控制环路于图3.9所示，其中PI控制器由表示，并且传递函数表示PWM调节器系统结构图。（3.26）式中是PWM装置的放大系数，本项目中取=220；是PWM装置的延迟时间，由于本项目中开关频率为10kHz，故取=。因此，控制回路的开环传递函数为：（3.27）通过将公式（3.27）和公式（3.26）中的和分别带入公式（2.25）中，可以得到系统的开环传递函数为:（3.28）运用常规的PI控制器就可以使系统达到期待的动态响应，因此：（3.29）当PI控制器的时间常数可以选择为等于所述主电路时间常数时，可以简化公式（3.29)，从而简化结果为：（3.30）其中，。现在开环传递函数没有了那些复杂的因素。此时系统成为我们熟悉的典型的1型系统，为了使其拥有最佳动态响应，按照西门子“最佳整定”方法，即KT=0.5，可以算出=0.24，=0.88最后，系统示意图如图3.10所示：图3.10SPWM解耦控制系统图图中d轴和q轴的控制策略一致，只是在相位上二者相差，故q轴上存在一个的滞后环节以补充二者在相角上的差值。右下方的两个波形发生器模拟的是PLL锁相环[14]，时刻不断的检查交流电网信号，并将检测到的相角输送给Park坐标变换器中。3.3本章小结本章简要介绍了PID算法的基本结构，给出了并网逆变系统作为控制对象的数学公式，详细利用PID算法对本系统进行调节，计算出控制器的比例环节和积分环节。

第4章SPWM（解耦）控制策略仿真实验4.1MATLAB简介MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域[14]。在一些实际应用中，如果系统的结构过于复杂，不适合用分析和编程的方法建模。在这种情况下，功能完善的Simulink程序可以用来方便地建立系统的数学模型。Simulink是由Mathworks软件公司1990年为MATLAB提供的新的控制系统结构图编程与系统仿真的专用软件工具。它有两个显著的功能：Simu（仿真）与Link（连接）[15]。在该仿真环境下，用户程序其外观就是控制系统结构图，亦即建模过程可通过鼠标在模型窗口上―画‖出所需的控制系统模型，然后利用Simulink提供的输入源模块对结构图所描述的系统施加激励，利用Simulink提供的输出口模块获得系统的输出响应数据或时间响应曲线。在本次设计中，控制系统的数学模型就是基于MATLAB/Simulink中的―SimPowersystems搭建的。4.2电路仿真电路的建立本系统采用350V直流电压源模拟直流输入，采用交流电压源模拟电网电压，电压峰值取311V，频率为50Hz，假定设计逆变器功率为6kW，可以得到并网电流峰值为38.6A。搭建的仿真模型如图3.1所示，包括单相全桥逆变器、PWM驱动信号发生器、PI控制器、滤波电感，Park坐标变换及其逆变换。其中控制器设计是关键，控制器主要实现对电流的跟踪，减小幅值偏差、相位偏差，增强应对电网扰动的能力。仿真时采用的参数如下：三角载波频率设为10kHz，设计滤波电感为12mH，串联等效电阻0.05Ω，PI参数取Kp=0.273，Ki=1.136。图4.1仿真电路图图中step1和step2是给定有功电流和无功电流值，其取值取决于电网所需提供的无功功率和有功功率大小。系统采PI调节器在d轴和q轴分别采用电流控制负反馈，以保证输出电流为给定有功电流和无功电流的叠加。4.3并网逆变器滤波电路工作特性滤波电路的重要性在第二章中已经详细介绍，下面在仿真实验中观察仿真结果。开关管输出电压波形如下图4.2所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示PWM输出电压。图4.2Pwm输出电压波形通过滤波电路后的并网电流波形如下图4.3所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示并网电流。图4.3滤波电流波形图通过滤波电路后的并网电流波形接近于正弦波，验证了滤波电路参数设计的正确性。4.4Spwm(解耦)功率调节实验仿真时间设置为0.1s，由于本项目的核心是对电流的解耦控制。在仿真的过程中我们会分别给定有功电流和无功电流，观察主电路输出总电流和电压的波形。当只给定有功电流时，示波器上的显示结构如下图4.4所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电网电压和并网电流。图4.4给定有功电流时输出波形图可以看到，输入给电网的电流和电压的波形相位上是一致的，且输出的电流幅值与给定的38.5A基本相同，证明此事输出给电网的功率只有有功功率。与之前的理论分析基本上相符合。当只给定无功电流时，示波器的仿真结果如下图4.5所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电网电压和并网电流。图4.5给定无功电流时输出电流波形可以看到，输入给电网的电流和电压的波形相位上是相差的，且输出的电流幅值与给定的38.5A基本相同，证明此事输出给电网的功率只有无功功功率。且无论是感性无功还是容性无功都可以通过给定的无功电流来获得。与之前的理论分析基本上相符合。将给定有功电流值设定为负值，这电网电压和并网电流的输出波形如下图4.6所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电网电压和并网电流。图4.6整流模式下并网电流电压波形图中可以看出，任意时刻下并网电流和电网电压的波形始终相反，说明电流的流通方向是从电网向逆变器，整流功能得以实现。4.5本章小结本章通过实验方式验证了主电路滤波电路参数设计的正确性，比较了有功功率、无功功率以及整流逆变不同工作方式下逆变电路输出情况，验证了功能的完整性。

第5章总结与展望光伏发电系统是现今最热门的新能源发电方向之一，拥有来源充足、清洁安全等优势。本文对其中的逆变并网控制策略进行了相关阐述和仿真设计。首先，分析了单相并网逆变器的主电路拓扑结构，然后给出了本系统的总体设计方案，并对主电路参数设计方法和相关的硬件设备作了介绍。由于这部分不是本文章的主体部分，所以只对重要部分进行了简单的概述；然后，对本文中提到的逆变并网的控制策略进行了详细的分析，剖析了PI控制对系统的动态响应的改善，并解释了局部模块得数学模型，为后面的仿真设计提供理论依据。最后，利用Matlab/Simulink对控制策略进行仿真，对给定有功电流和无功电流分别得到仿真结果，并验证了有功功率和无功功率的解耦控制的有效性。通过对并网电流的控制，可以实现并网电流与电网电压的同频同相。PI控制中存在的稳态误差，在PR控制中可以被消除，即做到对参考波的无静差跟踪。因此，PR控制不但具有无静差跟踪的稳态性能，而且具有快速的动态响应速度。同时，控制策略中所提到的“虚轴虚构”能减少系统滞后环节对虚轴反馈控制的影响，能进一步提高控制系统的稳定性。由于个人能力有限，对PR控制和“虚轴虚构”的了解不够深入，仿真中没法用到，只能作为对该控制策略进一步的展望，希望能在今后的学习中能收集资料、解决这些问题，不断完善仿真结果。

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